小型病险水库结构优化及管理信息化探究—以青山水库为例

徐真剑，李 蓓，姜玉涛，王智杰

（1.湖州南太湖水利水电勘测设计院有限公司，浙江 湖州 313000；2. 浙江水利水电学院，浙江 杭州 310018）

1 问题的提出

我国是世界上水库拥有量最多的国家，截至2007年，全国已有大、中、小型水库共87076 座（截至2011年年底，在短短5 a左右水库总数已达到98002座[1]，增速之快，令世人惊叹），其中各类病险水库有38019座，小型病险水库有35586座[2]，足足占了病险水库总数的93.6%。病险水库的定义，根据现行的《水库大坝安全评价导则》[3]和《水库大坝安全鉴定办法》（水管建[2003]271号），认为广义上的“病险水库”除了指鉴定为“三类坝”的水库外，还应包括“二类坝”的水库，均应进行除险加固处理；只因三类坝的水库病险程度明显高于二类坝的水库，应立即限期处理，才能保障其正常安全运行。

既有的病险水库数量多、问题突出（鉴于当时兴建时受技术及指导思想等条件的限制[4]，尤其是小型病险水库），不但制约水库效益的发挥，同时严重威胁下游人民生命财产的安全，而且影响生态环境，一直以来备受国家中央和水利部的重视[5-6]。因此，除险加固工作已紧锣密鼓地开展，目前大规模的除险加固工程已经基本完成[7-12]。与此同时，我国在病险水库治理技术方面也积累了不少宝贵的经验[12-15]，白永年在文献[16]中指出，优化综合治理技术是目前治理水库的最好技术形式。

除险加固工程完成之后，各水库管理单位的工作重点将逐步转变为工程管理[17]。由于小型水库管理单位管理水平有限，现阶段亟需实现水库由粗放管理向精细化管理，由传统人工管理向现代水利标准化管理的转变[18-19]。随着信息、通信、网络等技术和辅助硬件设备的不断更新换代，一种综合安全监测、超限预警、巡视检查和应急响应等功能要素的工程安全管理体系在水利信息化管理中建立起来[20-21]，为有效解决水库的安全运行管理提供技术手段和决策支持。

本文以湖州市首座通过标准化管理市级验收的小型水库—长兴县青山水库为依托，对小型水库除险加固工程优化设计的治理技术及信息化管理问题进行探讨和研究。供全省水利同行相互学术交流之用，以期为浙江省水库工程的信息化管理（包括结构优化）提供研究和实施参考。

2 工程概况及病险问题

2.1 工程概况

青山水库位于长兴县和平镇沙埠村，属西苕溪流域晓墅港支流[22]。库区集雨面积3.4 km2，主流长4.0 km，主流平均坡降为2.60%，总库容109.90万m3，是一座以灌溉及供水为主、结合防洪等综合利用的小（1）型水库；水库供水规模3000 m3/d，灌溉面积233.3 hm2，防洪保护人口2300人、耕地166.7 hm2。现状水库枢纽由大坝、溢洪道和输水涵洞组成，大坝坝型为类均质坝，坝顶高程60.20 m（上游侧设有防浪墙），最大坝高为22.00 m；溢洪道为敞开式宽顶堰，位于大坝左岸，堰顶宽12.50 m；输水涵洞为坝下埋管，位于大坝右岸，洞长87 m。

2.2 水库存在的病险问题

根据《青山水库大坝安全技术认定报告书》（2012.06），本次除险加固前，青山水库在枢纽“三大件”及安全监测方面存在着如下主要病险问题[22]：①大坝右背坡渗水及排水沟内常年漏水。②溢洪道泄槽段的护底混凝土局部破损，挑流消能段的下游未有工程措施进行保护，泄流时易对下游造成冲刷破坏，影响溢洪道正常泄洪安全。③输水涵洞为坝下埋管，启闭拉杆锈蚀严重，存在安全隐患。④水库大坝自建成以来，未设置变形等观测设施，遥测水位精度较差。

3 青山水库结构优化的治理技术

3.1 坝体及坝基防渗体系设计

3.1.1 防渗加固方案

水库大坝的垂直防渗加固措施主要有：冲抓套井回填黏土防渗墙、高压喷射灌浆防渗墙、黏土劈裂灌浆及土工膜防渗等[23-25]。因劈裂灌浆和土工膜的耐久性及可靠性较差，故选用冲抓套井回填[26-27]与高压喷射（旋喷）灌浆防渗墙[25]进行方案比选，其技术经济比较见表1。

表1 坝体防渗加固方案技术经济比较表

根据表1对比分析，结合青山水库大坝特点和存在渗漏问题，选择施工方法简单、投资少、施工质量有保证且防渗效果好的“方案Ⅰ”为坝体防渗方案。又考虑到坝基防渗通常采用帷幕灌浆处理[27-28]，因此最终所采用的防渗综合治理技术方案为“套井回填+帷幕灌浆”—大坝坝体防渗采用全坝段（除两侧坝肩挖除原土后回填黏土）均采用双排黏土套井处理，相应坝基防渗采用帷幕灌浆处理，从而建立起1道有效的封闭防渗屏障。

图1 双排套井平面布置图（加固后） 单位：cm

3.1.2 冲抓套井回填设计

3.1.2.1 套井平面布置

大坝坝体冲抓套井回填黏土防渗墙设计中心轴线布置于偏离坝顶轴线靠背水坡0.35 m的位置处，沿大坝全长布置。主、套井间隔布置，一主一套相交成井墙，套井为整圆，主井被套井切割后呈蚀圆，双排套井平面布置见图1。井孔连接见图2。

图2 井孔连接图 单位：cm

3.1.2.2 套井的排数、排距与孔距

套井的排数（即需要的套井回填黏土防渗墙的厚度），由渗透稳定计算决定，求得的渗透坡降小于允许渗透坡降即可。初步确定防渗墙的有效厚度计算公式如下：

式中：T为有效墙厚，m；ΔH为黏土防渗墙承担的最大水头差，取6.50 m（经大坝渗流计算）；J为防渗墙允许渗透坡降，本工程取6.0。

经计算，T ≈ 1.10 m。

本工程设计防渗墙采用2排钻孔组成，钻孔直径110 cm，排距85 cm，孔距80 cm。井孔连接见图2。其有效厚度按下式计算：

式中：Lp为排距，取0.85 m；R为钻孔半径, 取0.55 m；Lk为孔距，取0.80 m；T2为防渗墙有效厚度，m。

经计算，T2≈ 1. 60 m ＞T，满足渗透稳定要求。

3.2 溢洪道加固及体型优化设计

针对溢洪道存在的问题，提出过2个溢洪道的加固方案，即“利用老溢洪道改建的方案”（方案Ⅰ）和“重建溢洪道方案”（方案Ⅱ）。

一方面，为了研究方案Ⅰ的可行性及其具体改建措施，特邀请浙江省水利河口研究院对青山水库溢洪道做水工模型试验[29-30]，经过反复模型试验的研究，得到溢洪道体型优化设计，具体措施为：①设置高低槽和贴角，即在溢0+059.05 ～ 溢0 +078.60 m范围内设置高低槽，前后各设长度为8.00 m的过渡段。高槽表面横比降为1:10.0，右侧和低槽相接处直立墙高度均为0.75 m。溢0+066.80 ～ 溢0+078.60 m设置高0.80 m的贴角，位于高槽上（见图3）。通过这一措施，进入弯道和陡槽的水流被重新分配，明显改善沿程水流流态，折冲现象明显减弱；由于贴角与现状挡墙连接处下凹，形成回水槽，从而解决弯道水流翻越挡墙问题。②为改善消力池流态，水流均能射入消力池中，采取的优化措施是取消挑流鼻坎，鼻坎处高程由39.21 m降低到37.17 m，溢0+099.10 ～ 溢0+104.60 m范围内设置1:1.9的纵坡，并且消力池长度沿中心线增加7.00 m（见图4）。

图3 高低槽和贴角（泄槽弯道段）平面示意图 单位：m

图4 消能工段纵断面示意图 单位：cm

另一方面，考虑到若采用“利用老溢洪道改建”的方案Ⅰ，能减少对原溢洪道两侧挡墙的拆除工作和对现状植被的破坏影响，最大限度地保护水库的自然生态，而且节省工程投资、缩短工期，可谓是一举多得。

综上所述，溢洪道的加固方案最终采用方案Ⅰ。

3.3 输水建筑物的优化设计

针对输水建筑物存在的问题，通常做法[25]：先封堵原坝下放水涵管，然后在大坝右岸山体内新建输水隧洞。开挖输水隧洞是一个关键的步骤，经分析，可采用有2种施工方案，分别是爆破法施工（采用小剂量炸药的光面爆破新工艺，对山体的震动影响小）和掘进法施工，单从工程投资角度来看，爆破施工比掘进法施工节省约13.50万元。综合比较后，选用光面爆破法施工作为本次隧洞洞身开挖方案。

原输水建筑物的进水口类型为岸坡式进水口，采用斜拉杆启门，启门力较大；本次输水建筑物的进水口类型优化为美观简洁的塔式进水口，斜拉杆启门优化为竖直拉杆启门，这样启门力相对较小，因此可加大闸门尺寸和输水洞洞径（但此时启门力并不很大，利于启闭），以加大输水流量，保证下游的灌溉和供水。

4 青山水库的信息化建设

4.1 安全监测设计

水库大坝工程建设通常规模大、面临的工程力学问题复杂，工程一旦失事，后果不堪设想，因此确保大坝安全显得尤为重要[31-32]。大坝安全监测是监视工程结构安全的重要技术手段，监测数据是结构性态分析和安全状态评价的重要基础资料[33-34]。在大坝安全监测领域，利用自动化测控技术、网络通信技术、计算机技术、水工分析等技术，进行全面的信息化建设（研发一套大坝安全监测信息管理系统），对大坝及其它水工结构物的安全实测数据进行统一管理、及时分析、辅助决策，提高工程安全的管理和决策水平，已是当今信息化时代和技术发展的大势所趋。

目前大坝安全监测信息管理系统一般由软件和相应的硬件构成。硬件通常由服务器（数据库服务器、应用服务器、Web服务器等）、客户机（采集客户机、专业客户机、Web客户机等）、网络通信设备（交换机、防火墙等）、电源设备、通信线路、电源线路等设备构成。典型的物理拓扑结构见图5[35]。信息管理系统软件结构根据工程规模及业务需求，系统的开发模式可选用C/S（Client/Server）结构、B/S（Browser/Server）结构或C/S、B/S混合结构[36]，其中C/S及B/S体系结构分别见图6、图7。安全监测信息管理系统功能一般涉及如下几个模块：数据自动化采集与存储、人工数据录入与存储、成果计算和处理、图表绘制及定性分析、建模分析及定量解析、结构物安全状况评价、安全状况预测、预警及应急管理、移动应用、基础信息管理、信息发布、用户权限管理等，主要功能模块见图8。

图5 典型物理结构示意图[3 5]

图6 Client/Server体系结构图

图7 Browser/Server体系结构图

图8 信息管理系统主要功能模块图

以上所述的大坝安全监测信息管理系统已在诸多大中型水库大坝工程上应用[37-40]，当该系统用于小型水库上时，模块没必要这么全面和完善，应遵循“精而少、可靠、先进”的原则[41]。

由于青山水库为小（1）型水库，监测项目力求精而少，因此本次加固的主要监测项目[22]有：变形监测、渗流监测、水位监测及视频监控，并采用全自动兼有手动（作应急和补充之用）测试功能的先进可靠仪器和人工观测的水文标尺。大坝变形观测纵断面布设3个，每个观测横断面布各布设4个，共设变形观测点12个；坝体渗流观测纵断面布置3个，每个观测横断面各布设3根测压管；坝基渗流观测，共设置2根测压管；坝脚渗流共设置2根测压管；绕坝渗流观测设1个断面3个点；在大坝隧洞进口处设水位遥测站1处，同时在大坝右岸迎水坡侧、正常溢洪道进口各设置1处水位观测点，共设置2套水文标尺，采用柱式结构；并在大坝多处重点位置设监控器，对大坝进行全方位的实时视频监控。

4.2 信息化管理

“互联网+水利”时代的序幕已经被徐徐地拉开[19，42-45]，自从2015年3月，李克强总理首次提出“互联网+”行动计划之后，“互联网+”模式下的水利水电管理逐步发展起来，如“互联网+”模式下的水利水电工程现场安全管理（信息化管理）等应用。采用“互联网+”技术，能实时采集和上报水库的运行状态和存在隐患等数据，并自动生成巡查日志，可为水库工程的监督管理提供既科学又高效的信息化手段。

青山水库的安全监测仪器采集的数据均通过互联网（Internet）或3G/4G无线网上传至县水库管理中心，然后逐级上传，供上级水库管理部门实时监测和及时决策。除此之外，青山水库还特别加强日常对各建筑物（尤其是枢纽“三大件”）的人工巡视检查，巡查员通过手机将巡查结果上传至管理平台，让每一次的巡查都被信息管理平台“记录在案”。

5 结语和展望

5.1 结 语

青山水库通过本次除险加固，枢纽“三大件”的结构得到优化和完善—全面构建大坝的防渗体系屏障、保证溢洪道安全平稳泄流、升级输水建筑物，并建立一整套信息化管理的系统（包括人工巡查），以确保水库安全有效地运行和实时的掌控。目前，青山水库整个库区正呈现出一派“水清、流畅、岸绿、景美”的怡人景象，成为长兴县“人水和谐”的示范水利工程，不愧为湖州市首座通过标准化管理市级验收的小（1）型水库。这将成为浙江省水利工程管理信息化研究及其建设进程中的一个工程实例亮点，也将为浙江省正在进行的“美丽河湖”建设增光添彩。

5.2 展 望

对于如何判定病险水库的问题，目前国外很多国家（例如加拿大）已经提出了新的方法，即将“风险”的概念引入大坝安全管理中，以降低大坝风险为目标；以社会是否能接受风险，来决定对大坝是否需要进行除险加固，从而把国家有限的资金用到最需要的地方。这方面的研究工作目前国内已经在进行中，相信在不久的将来会对我国的水库大坝安全管理带来深远的影响。

但是，我国现阶段水库的相关管理法规与技术标准正在修订（不过浙江省水库管理的省级地方标准[46]已在全国率先颁布），并限于经济社会发展水平等原因，要完全废止按库容划分水库大坝工程等别的方法还不具备条件。建议：在实行按溃坝后果（风险）对既有水库大坝重新进行分类之前，仍以库容为主来确定水库的工程等别；同时将坝高和溃坝后果因素也考虑进去，即规定坝高超过一定高度及溃坝后果超过一定程度的水库（特别是小型水库），工程等别可以适当提高，以提高除险加固时的设计标准；并应加强病险水库的信息化管理建设，以利于水库主管部门实时掌控其安全的动态情况。